淺埋近距離煤層群上覆采空區火災及氣體下泄防治研究

任仲久

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧省撫順市，113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧省撫順市，113122)

0 引言

在我國中西部地區，煤炭資源賦存具有煤層多、埋藏淺、地質構造條件復雜的特點，并廣泛存在著近距離煤層群聯合開采的情況[1]。隨著開采深度的增加，上覆采空區的條件越發復雜，煤巖破碎量增大、隱蔽采空區條件不明，煤的自燃災害也越發凸顯，與此同時有害氣體下泄還會影響下層煤的開采[2]。

眾多學者針對火區治理和有害氣體控制方面進行了大量研究，一些學者通過分析煤炭的氧化自燃特性進行煤炭自燃的標志性氣體優選[3-5]；萬磊等[6-7]通過SF6和CF2ClBr雙元示蹤氣體分析復雜的漏風網絡和漏風量；鄧軍等[8]提出了“防-抑-滅”協同滅火技術，針對阻化、注惰性氣體抑氧降溫、堵漏和均壓的應用條件進行了分析；王磊[9]詳細分析了低溫氮氣注入采空區對遺煤自燃的抑制作用。粉煤灰復合膠體、帷幕注漿等新型材料和注漿技術也得到了發展和應用[10-11]，采空區的火區治理技術也越來越多樣性[12-13]?；舯艿萚14]構建了雙系采空區氣體流通原理并建立了參量控制方程。

上述研究雖然取得一定的效果，但是淺埋近距離煤層群工作面上覆采空區火災及其導致有毒有害氣體下泄的控制治理卻還需要進一步研究。筆者以沙坪煤礦13103綜放開采工作面為工程背景，詳細分析了上覆采空區自燃原因、火區的精準探測、CO氣體下泄情況，提出的聯防聯控機制可有效控制上覆煤層自燃，解決工作面CO超限問題，保障該工作面安全高效開采。

1 煤礦概況

沙坪煤礦位于山西省河曲縣，礦井開采涉及8、9、10、11、12、13號煤層，屬于典型的淺埋近距離煤層群聯合開采。13號煤層距上覆8號煤層僅41.13 m，煤質為長焰煤，自燃傾向性為Ⅱ類，自然發火期64 d。

分析沙坪煤礦采空區自燃原因有以下3個主要因素：一是煤層自燃危險性大、變質程度低、自燃傾向性高、自燃點溫度低、煤層質脆易碎，且富含黃鐵礦結核；二是老窯采空區疑似火區較多，井田內7座小窯關閉前均開采過8號煤層，2個曾開采過13號煤層，周邊小窯存在火區；三是煤層埋藏淺、數量多、層間距小，煤層開采時采空區頂板冒落會導致開采空間與上部采空區連通，從而引起地應力集中，造成地表沉陷而形成眾多裂隙。

同時受井田范圍內小窯越層越界、濫采亂掘的影響，在負壓通風下造成采空區漏風嚴重，導致采空區自然發火，給礦井防滅火技術和管理工作增加了難度。為此，筆者對沙坪煤礦13103工作面這類淺埋近距離煤層群上覆采空區易發生自然發火災害進行了深入的工程防治技術研究，并進行了具體實踐。

2 上覆采空區自燃區探測研究與分析

2.1 測點布置

13103工作面自開切眼到680 m上覆為南正溝煤礦采空區，680～1 770 m上覆為火山煤礦采空區。為明確火區的具體情況，在13103工作面和附近的13102工作面布置59排共1 055個探測點，探測點間距為30 m×30 m，采用地面紅外探測、測溫、同位素測氡法和地面綜合探測方法對13103工作面和13102工作面上覆采空區自然發火狀態進行綜合探測。

2.2 探測結果

在對13103工作面探測點的溫度數據整理后繪制探測區域溫度等值線，如圖1(a)所示，可以明顯看出高溫異常區域為A、B、C(西南方向)和E。與此同時通過鉆孔對CO、O2氣體濃度進行監測，各監測氣體濃度等值線如圖1(b)和(c)所示。由圖1(b)可以看出，CO濃度較高的區域分布在黃顏色區域，涉及排矸場和貓兒溝部分區域；排矸場濃度較高的一部分原因可能是地面矸石氧化釋放出了CO。氡含量如圖1(d)所示，圖中等值線較為密集的區域，即顏色變黃甚至變黑區域為氡值異常區域，這些區域大概率存在發火危險，主要位于貓兒溝排土場區域內。將氡值平面圖與礦井測點布置點圖疊加，綜合測溫、測氣和測氡結果，確定火區并得到隱患區域面積、位置和自燃隱患發展方向范圍如圖1(e)所示。

圖1 13103工作面上覆火區探測

由圖1(e)可以看出，A、B氡值異常區均在13103工作面進回風巷道附近，為局部裂隙下煤層產生的自然氧化現象；C區域位置與1號采空區邊緣和廢棄巷道附近重疊；D區域和9號煤層采區重疊，包括4處氡值異常區；E區域也和9號煤層采區重疊，同時也在工作面進回風巷道附近。通過與周邊區域氡值濃度的對比和校正，可判定C、E氡值異常區為發火異常區，D、F區為高溫氧化區。G、H、I、J、K、L氡值異常區均在13號煤層開采巷道和南正溝煤礦廢棄巷道附近。G、H、I、J、K、L氡值異常區主中心位置氡值均超過10 000 Bq/m3，遠遠大于發火氡值臨界值，因此該區域為發火異常區，需要加強監測并在開采前做好防滅火措施。

結合前期探測成果和采掘工程平面圖，發現測量區域內共有12處氡值異常區，以上異常區情況隨裂隙和通風供氧等外部條件變化而有所變化，總面積約39 077 m2。經過數據處理，計算各個異常區的隱患區域面積、中心位置坐標，火源發展方向等信息，見表1。

表1 隱患區域探測結果

13103工作面布置后，使用定向鉆機對南正溝煤礦采空區和火山煤礦采空區井下氡值異常區域進行鉆探驗證，根據13103工作面井下鉆孔觀測結果，從13103工作面開切眼開始往外至回風巷400 m 左右上覆采空區內CO濃度最高達到0.674 3%，并有乙炔(C2H2)出現，C2H2濃度最大0.004 6%，說明煤溫已經超過380 ℃，臨近著火點。井下鉆孔探測CO濃度變化曲線如圖2所示。

針對審計對象不明的問題，審計范圍可在原有的基礎上進一步擴大，即對黨委領導也展開必要的審核，這樣就可以做到全面管理，提高離任審計的準確性，加強單位內部的凝聚力。評價體系需往全面性的方向改進，審計人員充分結合定性評價與定量評價的方法，保證審核報告結論的客觀性，且結果精準涵蓋問題的根本。

圖2 井下鉆孔探測CO結果

由圖2可知，上覆采空區在13103工作面開切眼往外400 m范圍內有火區存在，結合上覆8號煤層采空區分布可知，上覆采空區高濃度CO主要集中在南正溝主井及大巷西南方向采空區內，并富集在13103開切眼附近上覆采空區，CO濃度分布沿走向從開切眼往外逐漸降低。在工作面正式回采前，需對13103工作面開切眼至距離400 m處的上覆采空區進行重點關注。

3 CO氣體下泄運移規律研究

3.1 13103工作面氣體超限原因

漏風是上覆采空區有毒有害氣體下泄的重要原因，在通風風壓的影響下，不同位置的CO有向工作面及回風隅角等風壓較低的位置運移的趨勢，這也是導致13103工作面回風隅角處CO濃度超限的主要原因。在井下采用SF6漏風測定技術檢測得到13103工作面漏風量為182 m3/min，漏風率為7.99%。由于8號煤層采用房柱式開采，大部分采空區頂板保存完整沒有垮落，13103工作面在回采過程中產生的采動影響使得形成的裂隙直接到達地表，空氣通過裂縫帶與13103采空區連通，導致13103工作面出現嚴重的漏風現象。通過對13103工作面漏風規律研究可知，13103采空區與上覆采空區和地表之間存在連通裂隙，漏風方向為上覆采空區向13103工作面漏風；采空區與小煤窯采空區之間存在連通線路，漏風方向為小煤窯采空區向采空區漏風。綜上所述，目前13103工作面的安全生產主要受上覆煤層采空區氣體下泄的影響，嚴重的漏風導致上覆采空區遺煤自然發火。

3.2 上覆采空區高濃度CO運移規律

以13103工作面回風隅角處為坐標原點，沿著采空區深度方向為X軸負方向，沿工作面傾向方向指向進風側為Y軸負方向，豎直向上為Z軸正方向建立模型，模擬13103工作面回采50 m處和400 m 處，傾向長度240 m，與13103工作面垂直距離42 m時采空區氣體運移模型，如圖3所示。在工作面開切眼上覆采空區設置高溫點，此外根據實測資料對地表裂隙的統計結果，在模型中建立2組長240 m、寬50 m(400 m)、深9.6 m的地表漏風等效裂隙，以此來考慮地表漏風對采空區風流的影響。利用MESH四面體網格在進回風巷、工作面以及開切眼處采取全局網格加密的方法提高模擬精度；設置計算模型為穩態模型，選擇組分輸運模型，混合物為甲烷-空氣；選用k-ε湍流模型模擬氣體在采空區的傳熱傳質規律；13103進回風巷分別為速度入口與自由出口(outflow)，根據實際情況設置進風巷處的入口速度為1.453 5 m/s，上覆采空區模型頂部設置總漏風量200 m3/min。高溫點的漏風占總漏風量的90%，其他漏風為10%，高溫點CO濃度設置為0.8%；在上覆采空區中將彎曲下沉帶中的裂隙等效為模型中的裂隙矩形方格，其孔隙率為1，其他漏風影響微小的區域孔隙率設置為0。

圖3 采空區氣體運移模型

3.3 結果分析

模擬回采50 m時工作面及上覆采空區內CO濃度場的空間三維分布如圖4所示。在工作面推進至50 m時，靠近工作面中上部及回風側上覆采空區遺煤氧化產生的CO氣體能夠在地表和進風隅角漏風流的帶動下逐漸涌入工作面，在平行于底板方向Z=5 m處達到極值，上覆采空區產生的CO主要在工作面后半部分涌入到工作面，上覆采空區CO氣體自上而下逐漸向工作面和進風巷方向擴散，導致CO在回風隅角處聚集。

圖4 回采50 m時13103工作面及上覆采空區內CO濃度分布

模擬回采400 m時工作面及上覆采空區內CO濃度場的空間三維分布如圖5所示。當工作面推進至400 m時，采空區CO濃度分布與工作面推進50 m時的模型結果有所變化，開切眼側高濃度CO范圍較50 m時有所增加，13103工作面靠近回風隅角處采空區CO積聚現象比較嚴重，表明隨著工作面的推進，在開切眼側依然有滲透漏風流向采空區，逐漸擴大至13103工作面回風隅角區域。

圖5 回采400 m時13103工作面及上覆采空區內CO濃度分布

4 防治技術與治理效果

4.1 地表堵漏

為處理地表裂隙，在13103工作面地表位置進行了黃土填埋并隨時觀測地表變化，對產生裂隙區域繼續填埋，對孔洞大的裂隙在填埋同時，進行澆水夯實處理。南正溝煤礦南側原始山體+890 m平臺全部回填，形成+890 m排土平臺；沿890 m排土平臺南側修筑排土道路，分層排棄形成+910、+930、+950 m水平排土臺階；排土臺階與兩側原始山體兼并，便于覆蓋兩側原始山體裂縫，排土臺階高20 m，坡面角35°，用黃土重力沿山體坡面自由滾落，盡量覆蓋原始山體最大面積，覆土厚度不小于2 m。

4.2 鉆孔注氮

沙坪煤礦在13103工作面采用鉆孔注液氮處理隱蔽的8號煤層采空區發火隱患區域，因13103工作面上覆采空區面積大，采用鉆孔目標直注式注液氮方式進行治理。上覆采空區老窯破壞區面積估算7.4萬m2，由于8號煤層采空區為老窯采空區，采取房柱式開采方式，遺留煤柱不明，估算容積49萬m3，經估算需液氮612 t。鄰近的13102工作面同樣存在上覆采空區，在該區域布置2-1號、2-2號、2-3號鉆孔用于注液態氮，鉆孔位置位于13102工作面上方170 m×240 m范圍，該區域注液氮范圍為27萬m3，需注液氮338 t?？傆嬓枳⒁旱?50 t。根據上述可知13103工作面開切眼往外400 m范圍內上覆采空區隱蔽火區隱患較嚴重，重點對該區域灌注。在地面施工12個鉆孔對8號煤層老窯破壞區注液氮，每個鉆孔灌注80 t液氮。

4.3 灌漿防滅火

13103工作面煤層傾角小于5°，傾斜長度為240 m，注漿管口從進風側進入采空區，保證漿體能夠進入采空區，但也存在采高過大，無法填滿的問題。綜上所述，采用靜壓輸漿在工作面運輸巷、輔運巷內鋪設灌漿管路，進、回風隅角埋設管路，依據防滅火設計及采空區氣體觀測情況進行灌漿。當工作面接近仰采至1 300 m時以及回撤期間，在進風隅角埋設管路進行灌漿，采空區埋設管路深度為20～30 m。工作面推進500 m后利用補2-5號、3-3號地面鉆孔進行注漿。通過漿體粘結性填充裂隙、降低溫度并防止自燃。

4.4 上下隅角堵漏

為減少采空區的漏風和氮氣的泄漏，對采空區實施堵漏。根據頭尾端頭垮落情況，在工作面頭、尾巷各構筑一道粉煤灰封堵墻(用粉煤灰袋施工，底寬1.5 m、頂寬1 m)。在回采期間正常推進時每隔15 m對上下隅角進行封堵，封堵選用編織袋內充填黃泥(不可燃材料)垛墻方式進行封堵；在推進緩慢(氧化帶存續時間大于煤層最短自然發火期)工作面和末采工作面端頭封堵步距為5 m；采煤工作面停采到位后必須在兩端頭各構筑一道封堵墻體并進行噴涂，對工作面后部裸煤進行全面噴涂，如圖6所示。

圖6 上下隅角堵漏示意

4.5 埋管抽采

13103工作面采空區CO涌出位置主要在回風隅角，為防止CO涌出造成氣體超限，危害人的健康和安全，根據涌出特點，采取埋管方式進行抽采。受巷道空間影響，采取四排Φ159 mm管路邁步式抽采。在分路器上引出4趟Φ159 mm支管(可采用PVC管路)，并依次錯開3 m距離。第1趟支管接設至支架尾梁時開始抽采，進入工作面采空區3 m后，埋入第2趟抽采支管；第2趟抽采支管進入工作面采空區3 m后，埋入第3趟抽采支管；第3趟抽采支管進入工作面采空區3 m后，埋入第4趟抽采支管。當第1趟支管埋入采空區12 m 時停止抽采，斷開管路，同時在第1趟支管上接設新抽采管路并循環。

4.6 工作面應急調壓系統

13103綜放工作面應急動態調壓系統是由調壓風機硐室安裝的應急動態調壓風機、運輸巷應急動態調壓調節風門、輔運巷應急動態調壓調節風門及回撤通道風門構成。應急動態調壓系統啟動后，通過運輸巷應急動態調壓風門風窗的調整，在工作面風量滿足作業規程規定的風量情況下，提升工作面的壓力，使之與上覆采空區達到壓力平衡，阻止有害氣體下泄，隔絕地表裂隙向上覆層采空區供氧，防止煤氧化自燃。此方法為回采期間應急方案，只有在上覆采空區氣體下泄突然增大威脅人的安全或采用上述方法不能控制氣體下泄時啟用。

4.7 治理效果

經過治理后，2-3號地面鉆孔溫度由探通時的158 ℃降到25 ℃，3-3號地面鉆孔溫度由探通時的99 ℃降到15 ℃，上覆采空區溫度明顯降低，13103工作面范圍內高溫點消除。2020年9月至2021年1月，采用便攜式一氧化碳檢測儀對13103工作面上隅角上中下部3個點的CO濃度進行監測，監測結果如圖7所示。13103工作面回采前上覆采空區CO濃度高達0.6%以上，經過治理后，采空區發火指標氣體濃度降低，CO濃度明顯下降大部分穩定在0.05%以下。

圖7 工作面上隅角CO濃度

5 結論

(1)分析表明，沙坪煤礦13103工作面上覆采空區自燃的主要原因是煤層自燃危險性大、老窯采空區疑似火區多、煤層埋藏淺、煤層數量多、層間距小。采用地面紅外探測、測溫測氣、同位素測氡法和地面綜合探測方法對13103工作面上覆采空區自然發火狀態進行綜合探測，準確標定了火區中心點和范圍。

(2)數值模擬表明，13103工作面上覆采空區遺煤氧化產生的CO氣體在工作面后50 m靠近工作面中上部及回風側在地表和進風隅角漏風流的帶動下逐漸涌入13103工作面并在平行于底板方向Z=5 m 處達到極值，13103工作面靠近回風隅角處采空區CO積聚現象比較嚴重。

(3)采取井上下聯合防控措施后，實現了隱患火區下13103綜放工作面的安全開采。根據發火位置和重復采動特征，綜合提出了井上下聯合防控措施，“封、堵、注、灌、截、抽、壓”措施共同實現了火區惰化、工作面有害氣體控制在合理范圍，保障了礦井的安全生產。